CN112628013B - 大部分塑料化的内燃机缸盖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大部分塑料化的内燃机缸盖，包括缸盖本体，缸盖本体一侧设有进气道，其另一侧设有排气道，缸盖本体内自下而上沿进、排气道分布有冷却水套，缸盖本体包括由排气道侧至进气道侧横向分割成上下两部分，上部为塑料的缸盖上体，下部为金属的缸盖下体，进气道和冷却水套的上部成型于缸盖上体内，缸盖上体和缸盖下体的结合面上靠近进气道分割部且对应冷却水套分割面处设有同时密封空气及冷却水的密封结构。相比于现有技术，有效利用发动机冷却的设计，极大增加了缸盖本体中的塑料占比，达到极端减重的目的，扩展了塑料的应用场景；缸盖上体和缸盖下体的结合面上设密封结构，能同时密封空气及冷却水，确保了密封的稳定和变温条件下的可靠。

Description

大部分塑料化的内燃机缸盖

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其是一种大部分塑料化的内燃机缸盖。

背景技术

由于发动机的冷却和燃烧，现有活塞式内燃机的缸盖都是金属材料制作，主要为铸铁或者铸铝材料制成。铸铁普遍重量大，成本低，但加工成本高，多应用于柴油机上。铝缸盖大量应用于汽油机，金属材料在制作和生产过程中，铸造工厂污染和耗能均十分巨大，在后期的加工过程中，金属切削的工艺复杂，污水排放也较大。因此近年来，发动机缸盖的铸造和机加生产工厂，都很难在环评严格的地区开工建设。

随着各行业需求的不同，内燃机缸盖在设计过程中呈现两种趋势，分别是集成了排气歧管的集成式缸盖和非集成式缸盖。为了实现内燃机的轻量化，集成式缸盖部分塑料化需要在冷却水套上方实施分割，分割面的上部做成塑料的，下部延续金属的；非集成缸盖由于内部没有排气歧管，如何分割实现做大的塑料化，且不影响其他结构，是设计的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种大部分塑料化的内燃机缸盖。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大部分塑料化的内燃机缸盖，包括缸盖本体，所述缸盖本体一侧设有进气道，其另一侧设有排气道，缸盖本体内自下而上沿进、排气道分布有冷却水套，所述缸盖本体包括由排气道侧至进气道侧横向分割成上下两部分，上部为塑料的缸盖上体，下部为金属的缸盖下体，所述进气道和冷却水套的上部成型于缸盖上体内，所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上靠近进气道分割部且对应冷却水套分割面处设有同时密封空气及冷却水的密封结构。

进气道由于有冷却空气的吸入，有一定的冷却效果，所以可将进气道分成上下两部分，且上部尽可能分多，又由于缸盖本体内没有排气歧管，所以同时也可以将冷却水套分成上下两部分，增加塑料的占比部分，达到最大的减重目的；另外，在进气道分割的部分，由于同时有空气和冷却水，又因为金属和塑料的膨胀系数不同，密封处在高温下会造成间隙，故需要在该处增加密封结构，确保冷却水不要通过进气道进入发动机气缸内部而损坏整个发动机。

进一步地限定，所述密封结构为与靠近进气道分割部及冷却水套分割面轮廓相对应的单层或双层金属密封垫，且其上表面设有耐高温密封圈。

采用上述金属密封垫，通过压紧力形成密封，确保空气和冷却水的密封。

进一步地限定，所述结合面包括依次连接的水平结合面、竖直结合面和上倾结合面，所述水平结合面为自排气道最高点所在面为起点向内水平延伸到达进气道的水平面，所述竖直结合面为自水平结合面末端垂直向下伸入部分伸入进气道的竖直面，所述上倾结合面为自竖直结合面末端斜向上延伸至进气道外侧面的倾斜面。

为了确保在分割时不干涉位于缸盖本体中的火花塞孔和气门孔，所以在进气侧分割时达到最多位于缸盖上体、排气道最高点以上归缸盖上体的前提下，只能自排气道最高点所在面为起点向内水平延伸至进气道处。由于没有集成排气歧管，因此缸盖本体排气道出来接的是金属排气歧管，为确保塑料的工作正常，故排气道及与排气歧管连接的螺栓孔部分均采用金属结构，确保强度和高温的传导。

进一步地限定，所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上对应缸盖本体进出水处设置有榫卡结构，所述榫卡结构包括位于缸盖上体上向下凸出设置的凸块以及位于缸盖下体上与凸块相配合的凹槽。

设置榫卡结构，一方面方便缸盖上体和缸盖下体的定位，另一方面，当缸盖上体受热膨胀时凸块向外扩张挤压容纳槽的两侧壁，形成密封连接。

进一步地限定，所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上对应机油道位置处设有连接固定结构，所述连接固定结构包括成型在缸盖上体底部的接管以及开设在缸盖下体上端与接管相配合的容纳槽，以使缸盖上体受热膨胀时接管挤压容纳槽形成密封连接。

塑料的接管插入金属的容纳槽中，在受热膨胀时，接管可以挤压金属，形成密封，避免了间隙的形成。

更进一步地限定，所述缸盖上体下表面接管的内侧开设有一排均匀分布的上部螺栓孔，缸盖下体上表面对应上部螺栓孔的位置处设置有下部螺栓孔。

由于冷却水对机体温度的冷却作用，使得缸盖的上部可以独立出来成为一个塑料部件，承担凸轮轴的工作固定，并起到密封作用；上下结合采用螺栓紧固件连接，螺栓穿过缸盖上体的上部螺栓孔，直接攻入缸盖下体的下部螺栓孔中，确保连接强度；同时，缸盖上体和缸盖下体结合密封，提供冷却水路流动空间。

为了使得结构紧凑，进一步地限定，所述缸盖上体沿长度方向分别设置有放置两根凸轮轴的两个凹腔，所述凹腔内设有供液压挺柱伸入的第一通孔，两个凹腔之间的缸盖上体上开设有供火花塞伸入的第二通孔；所述缸盖下体上设有与第一通孔相对应的供进排气门伸入的第三通孔以及与第二通孔相对应的供火花塞伸入的第四通孔。

为了保证缸盖上体具有足够的强度，进一步地限定，所述缸盖上体采用的塑料材质为改性复合材料。

更进一步地限定，所述改性复合材料为聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮或聚酰胺-酰亚胺中的一种或几种，且添加了玻璃纤维、矿粉或碳纤维等改性剂制成的高强度、耐高温、耐磨及耐机油的改性材料。

为了提高制造速度，进一步地限定，所述缸盖上体通过注塑或3D打印成型而成；所述缸盖下体通过压铸、重力铸造或金属3D打印制得。

本发明的有益效果是：

相比于现有技术，有效利用了发动机冷却的设计，极大增加了缸盖本体中的塑料占比，达到极端减重的目的，扩展了塑料的应用场景；

缸盖上体和缸盖下体的结合面上设有密封结构，能同时密封空气及冷却水，确保了密封的稳定和变温条件下的可靠；

设计密封结构、连接固定结构和榫卡结构，避免了不同材料在不同膨胀比等特性下的裂纹和漏水漏油问题；

减少了加工工艺和步骤，降低了生产过程中的碳排放和污染，提高了生产效率，也降低了以此种发动机为动力的运载机构的重量，从而降低了整体的油耗，提升了运载机构的续航能力，可广泛应用于对重量要求高的各种领域，包括新能源车的增程器、便携式发电机、航空无人机，行走机器人等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的装配图。

图3是本发明中榫卡结构处的示意图。

图4是本发明中连接固定结构处的示意图。

图5是本发明中缸盖上体背面的结构示意图。

图中：1.缸盖本体，2.密封结构，11.进气道，12.排气道，13.冷却水套，14.缸盖上体，15.缸盖下体，141.凸块，142.接管，143.上部螺栓孔，144.凹腔，145.第一通孔，146.第二通孔，151.凹槽，152.容纳槽，153.下部螺栓孔，154.第三通孔，155.第四通孔。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～2所示，一种大部分塑料化的内燃机缸盖，包括缸盖本体1，缸盖本体1一侧设有进气道11，其另一侧设有排气道12，缸盖本体1内自下而上沿进、排气道11、12分布有冷却水套13，缸盖本体1包括由排气道12侧至进气道11侧横向分割成上下两部分，上部为塑料的缸盖上体14，主要承担凸轮轴系统的固定和定位，下部为金属的缸盖下体15，承担接触火焰和高温排气流动的通道，并承担气门机构的高温传导，进气道11和冷却水套13的上部成型于缸盖上体1内，缸盖上体14和缸盖下体15的结合面上靠近进气道11分割部且对应冷却水套14分割面处设有同时密封空气及冷却水的密封结构2。通过密封结构2，避免了高温膨胀对两者接合面的应力破坏，避免了冷却水的泄露。

密封结构2具体为与靠近进气道11分割部及冷却水套14分割面轮廓相对应的单层或双层金属密封垫，且其上表面设有耐高温密封圈。通过压紧力形成密封，确保水气和机油的密封。

结合面包括依次连接的水平结合面、竖直结合面和上倾结合面，水平结合面为自排气道12最高点所在面为起点向内水平延伸到达进气道11的水平面，竖直结合面为自水平结合面末端垂直向下伸入部分伸入进气道11的竖直面，上倾结合面为自竖直结合面末端斜向上延伸至进气道11外侧面的倾斜面。

这样的分割面在进气道11侧达到最大，切割了进气道11成为了两部分，考虑到进气道11的优势，进气道11由于冷却空气的吸入，对这个位置是有一定的冷却效果的，所以这部分的热负荷要远低于排气道，才使得这种设计具备可行性。

如图3所示，缸盖上体14和缸盖下体15的结合面上对应缸盖本体1进出水处设置有榫卡结构，榫卡结构包括位于缸盖上体14上向下凸出设置的凸块141以及位于缸盖下体15上与凸块141相配合的凹槽151。缸盖本体1进出水处，处于缸盖上体14和缸盖下体15分界处，为确保冷热膨胀的密封性，设计榫卡结构，塑料的凸块141插入金属的凹槽151内，在受热膨胀时，凸块141向外挤压凹槽151壁，形成密封，避免了间隙的形成。

如图4所示，缸盖上体14和缸盖下体15的结合面上对应机油道位置处设有连接固定结构，连接固定结构包括成型在缸盖上体14底部的接管142以及开设在缸盖下体15上端与接管142相配合的容纳槽152，以使缸盖上体14受热膨胀时接管142挤压容纳槽152形成密封连接。如图5所示，缸盖上体14下表面接管142的内侧开设有一排均匀分布的上部螺栓孔143，缸盖下体15上表面对应上部螺栓孔143的位置处设置有下部螺栓孔153。

缸盖上体14沿长度方向分别设置有放置两根凸轮轴的两个凹腔144，凹腔144内设有供液压挺柱伸入的第一通孔145，两个凹腔144之间的缸盖上体14上开设有供火花塞伸入的第二通孔146；缸盖下体15上设有与第一通孔145相对应的供进排气门伸入的第三通孔154以及与第二通孔146相对应的供火花塞伸入的第四通孔155。

塑料材质的选择，要确保分割出来的塑料缸盖上体14能有足够的强度，作为优选地，缸盖上体14采用的塑料材质为改性复合材料；具体地，改性复合材料为聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮或聚酰胺-酰亚胺中的一种或几种，且添加了玻璃纤维、矿粉或碳纤维等改性剂制成的高强度、耐高温、耐磨及耐机油的改性材料。

缸盖上体14采用注塑或者3D打印完成，缸套下体15可采用压铸或重力铸造方式完成，也可选用金属3D打印的方式，利用螺栓拧紧的方式，直接与缸体连接，确保密封。在开发和快速样件过程中，甚至在大批量生产中，可以全部采用3D打印的方式制造，极大的降低了制造成本提升了制造速度。

缸盖上体14和缸盖下体15组装完成后，则在缸盖本体1的顶部和底部进行加工，确保粗糙度和平面度的要求。

采用本实施例的内燃机缸盖，缸盖下体15为铸铁的缸盖本体1可减重80%，缸盖下体15为铝额缸盖本体1可减重10～30%，从而降低了整体系统的重量，降低了碳排放。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大部分塑料化的内燃机缸盖，包括缸盖本体，所述缸盖本体一侧设有进气道，其另一侧设有排气道，缸盖本体内自下而上沿进、排气道分布有冷却水套，其特征在于：所述缸盖本体包括由排气道侧至进气道侧横向分割成上下两部分，上部为塑料的缸盖上体，所述缸盖上体通过注塑或3D打印成型而成，下部为金属的缸盖下体，所述缸盖下体通过压铸、重力铸造或金属3D打印制得，所述进气道和冷却水套的上部成型于缸盖上体内，所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上靠近进气道分割部且对应冷却水套分割面处设有同时密封空气及冷却水的密封结构。

2.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述密封结构为与靠近进气道分割部及冷却水套分割面轮廓相对应的单层或双层金属密封垫，且其上表面设有耐高温密封圈。

3.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述结合面包括依次连接的水平结合面、竖直结合面和上倾结合面，所述水平结合面为自排气道最高点所在面为起点向内水平延伸到达进气道的水平面，所述竖直结合面为自水平结合面末端垂直向下伸入部分伸入进气道的竖直面，所述上倾结合面为自竖直结合面末端斜向上延伸至进气道外侧面的倾斜面。

4.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上对应缸盖本体进出水处设置有榫卡结构，所述榫卡结构包括位于缸盖上体上向下凸出设置的凸块以及位于缸盖下体上与凸块相配合的凹槽。

5.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述缸盖上体和缸盖下体的结合面上对应机油道位置处设有连接固定结构，所述连接固定结构包括成型在缸盖上体底部的接管以及开设在缸盖下体上端与接管相配合的容纳槽，以使缸盖上体受热膨胀时接管挤压容纳槽形成密封连接。

6.根据权利要求5所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述缸盖上体下表面接管的内侧开设有一排均匀分布的上部螺栓孔，缸盖下体上表面对应上部螺栓孔的位置处设置有下部螺栓孔。

7.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述缸盖上体沿长度方向分别设置有放置两根凸轮轴的两个凹腔，所述凹腔内设有供液压挺柱伸入的第一通孔，两个凹腔之间的缸盖上体上开设有供火花塞伸入的第二通孔；所述缸盖下体上设有与第一通孔相对应的供进排气门伸入的第三通孔以及与第二通孔相对应的供火花塞伸入的第四通孔。

8.根据权利要求1所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述缸盖上体采用的塑料材质为改性复合材料。

9.根据权利要求8所述的大部分塑料化的内燃机缸盖，其特征在于：所述改性复合材料为聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮或聚酰胺-酰亚胺中的一种或几种，且添加了玻璃纤维、矿粉或碳纤维等改性剂制成的高强度、耐高温、耐磨及耐机油的改性材料。

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